《材料物理性能》课程教学实验指导书（山东理工大学，共五个实验）

2味理影深 SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 材料物理实验指导书 (仅供学校内部教学使用) 高巧春编写 二0一九年四月

材料物理实验指导书 （仅供学校内部教学使用） 高巧春 编写 二 0 一九年四月

目录 实验一材料弯曲强度测定1 实验二维氏硬度的测定 3 实验三不良导体导热系数测定7 实验四材料色度的测定 .12 实验五材料介电常数的测定 .18

目 录 实验一 材料弯曲强度测定 .1 实验二 维氏硬度的测定.3 实验三 不良导体导热系数测定.7 实验四 材料色度的测定.12 实验五 材料介电常数的测定.18

实验一材料弯曲强度测定 一、实验目的 了解复合材料弯曲强度的意义和测试方法，掌握用电子万能试验机测试聚合物材料弯曲 性能的实验技术。 二、实验原理 弯曲是试样在弯曲应力作用下的形变行为。弯曲负载所产生的盈利是压缩应力和拉伸应 力的组合，其作用情况见图11所示。表征弯曲形变行为的指标有弯曲应力、弯曲强度、弯 曲模量及挠度等 张力 图1-1支梁受到力的作用而弯曲的情况 弯曲强度o,也称挠曲强度（单位MP),是试样在弯曲负荷下破裂或达到规定挠度时 能承受的最大应力。挠度5是指试样弯曲过程中，试样跨距中心的顶面或底面偏离原始位置 的距离(m)。弯曲应变，是试样跨度中心外表面上单元长度的微量变化，用无量纲的比值 或百分数表示。挠度和应变的关系为：5=6,2/6h(L为试样跨度，h为试样厚度) 当试样弯曲形变产生断裂时，材料的极限弯曲强度就是弯曲强度，但是，有些聚合物在 发生很大的形变时也不发生破坏或断裂，这样就不能测定其极限弯曲强度，这时，通常是以 试样外层纤维的最大应变达到5%时的应力作为弯曲屈服强度。 与拉伸试验相比，弯曲试验有以下优点。假如有一种用做梁的材料可能在弯曲时破坏 那么对于设计或确定技术特性来说，弯曲试验要比拉伸试验更适用。制备没有残余应变的弯 曲试样是比较容易的，但在拉伸试样中试样的校直就比较困难。弯曲试验的另一优点是在小 应变下，实际的形变测量大的足以精确进行。 弯曲性能测试有以下主要影响因素。 ①试样尺计和加工。试样的厚度和宽度都与弯曲强度和挠度有关 ②加载压头半径和支座表面半径。如果加载压头半径很小，对试样容易引起较大的剪 切力而影响弯曲强度。支座表面半径会影响试样跨度的准确性。 ③应变速率。弯曲强度与应变速率有关，应变速率较低时，其弯曲强度也偏低。 ④试验跨度。当跨厚比增大时，各种材料均显示剪切力的降低，可见用增大跨厚比可

1 实验一 材料弯曲强度测定 一、实验目的 了解复合材料弯曲强度的意义和测试方法，掌握用电子万能试验机测试聚合物材料弯曲 性能的实验技术。 二、实验原理 弯曲是试样在弯曲应力作用下的形变行为。弯曲负载所产生的盈利是压缩应力和拉伸应 力的组合，其作用情况见图 1-1 所示。表征弯曲形变行为的指标有弯曲应力、弯曲强度、弯 曲模量及挠度等。 弯曲强度  f ，也称挠曲强度（单位 MPa），是试样在弯曲负荷下破裂或达到规定挠度时 能承受的最大应力。挠度 s 是指试样弯曲过程中，试样跨距中心的顶面或底面偏离原始位置 的距离（㎜）。弯曲应变 f  是试样跨度中心外表面上单元长度的微量变化，用无量纲的比值 或百分数表示。挠度和应变的关系为： s f L 6h 2 =  （ L 为试样跨度， h 为试样厚度）。 当试样弯曲形变产生断裂时，材料的极限弯曲强度就是弯曲强度，但是，有些聚合物在 发生很大的形变时也不发生破坏或断裂，这样就不能测定其极限弯曲强度，这时，通常是以 试样外层纤维的最大应变达到 5%时的应力作为弯曲屈服强度。 与拉伸试验相比，弯曲试验有以下优点。假如有一种用做梁的材料可能在弯曲时破坏， 那么对于设计或确定技术特性来说，弯曲试验要比拉伸试验更适用。制备没有残余应变的弯 曲试样是比较容易的，但在拉伸试样中试样的校直就比较困难。弯曲试验的另一优点是在小 应变下，实际的形变测量大的足以精确进行。 弯曲性能测试有以下主要影响因素。 ① 试样尺寸和加工。试样的厚度和宽度都与弯曲强度和挠度有关。 ② 加载压头半径和支座表面半径。如果加载压头半径很小，对试样容易引起较大的剪 切力而影响弯曲强度。支座表面半径会影响试样跨度的准确性。 ③ 应变速率。弯曲强度与应变速率有关，应变速率较低时，其弯曲强度也偏低。 ④ 试验跨度。当跨厚比增大时，各种材料均显示剪切力的降低，可见用增大跨厚比可 图1-1 支梁受到力的作用而弯曲的情况

减少剪切应力，使三点弯曲更接近纯弯曲。 ⑤温度。就同一种材料来说，屈服强度受温度的影响比脆性强度大。 三、实验仪器 WDW1020型电子万能试验机 四、试样制备 弯曲试验所用试样是矩形截面的棒，可从板材、片材上切割，或由模塑加工制备。一般 是把试样模压成所需尺寸。常用试样尺寸为(GB/T9341一1800)长度80mm:宽度10mm: 厚度4m。每组试样应不少于5个。试验前，需对试样的外观进行检查，试样表面平整，无 气泡、裂纹、分层和机械损伤等缺陷。另外，在测试前应将试样在测试环境中放置一定时间。 使试样与测试环境达到平衡。 取合格的试样进行编号，在试样中间的1/3跨度内任意取3点测量试样的宽度和厚度， 取算术平均值。试样尺寸小于或等于10m的，精确到0.02m:大于10m的，精确到0.0 m。 五、实验步骤 1.接通试验机电源。 2.安装三点弯曲支座，调整跨度L及加载压头位置。加载压头位于支座中间。跨度 可按试样厚度h换算而得：L=16土1h。 3.进入试验程序。录入试样信总，然后联机。进行参数设置，选择试验速度。 4将试样放置在样品支座上，按下降键将压头调整至刚好与试样接触。 5.然后对，“实验力”、“位移”、“变形”清零。 6.点击“试验开始”健，试验开始进行，直至试样断裂试验自动结束。 7.按上升链，使移动横梁回复原来位置。重复实验步骤4一6，测量下一个试样。 8.试验结束后，按“数据管理”键，查看数据结果。 思考题： 1影响弯曲强度测试的因素有哪些？ 2

2 减少剪切应力，使三点弯曲更接近纯弯曲。 ⑤ 温度。就同一种材料来说，屈服强度受温度的影响比脆性强度大。 三、实验仪器 WDW1020 型电子万能试验机 四、试样制备 弯曲试验所用试样是矩形截面的棒，可从板材、片材上切割，或由模塑加工制备。一般 是把试样模压成所需尺寸。常用试样尺寸为（GB/T9341－1800）长度 80 ㎜；宽度 10 ㎜； 厚度 4 ㎜。每组试样应不少于 5 个。试验前，需对试样的外观进行检查，试样表面平整，无 气泡、裂纹、分层和机械损伤等缺陷。另外，在测试前应将试样在测试环境中放置一定时间， 使试样与测试环境达到平衡。 取合格的试样进行编号，在试样中间的 1 3 跨度内任意取 3 点测量试样的宽度和厚度， 取算术平均值。试样尺寸小于或等于 10 ㎜的，精确到 0.02 ㎜；大于 10 ㎜的，精确到 0.05 ㎜。 五、实验步骤 1. 接通试验机电源。 2. 安装三点弯曲支座，调整跨度 L 及加载压头位置。加载压头位于支座中间。跨度 L 可按试样厚度 h 换算而得： L = (16 1)h。 3. 进入试验程序。录入试样信息，然后联机。进行参数设置，选择试验速度。 4. 将试样放置在样品支座上，按下降键将压头调整至刚好与试样接触。 5. 然后对，“实验力”、“位移”、“变形”清零。 6. 点击“试验开始”键，试验开始进行，直至试样断裂试验自动结束。 7. 按上升键，使移动横梁回复原来位置。重复实验步骤 4～6，测量下一个试样。 8. 试验结束后，按“数据管理”键，查看数据结果。 思考题： 1.影响弯曲强度测试的因素有哪些？

实验二维氏硬度的测定 硬度通常定义为材料抵御硬且尖锐的物体所施加的压力而产生永久压痕的能力。材料 的硬度是材料重要的机械性能之一。 材料的硬度与其他的物理性能之间存在某种关系。例如，硬度和拉力试验基本上都是 测量金属抵抗塑性变形的能力。这两种试验在某种程度上都是测量同样的特性，其结果完全 可以相比较。硬度试验的优点在于：它是一种简单而又容易进行的试验，尤其突出的是它是 一种非破坏性测试。 习惯上把硬度试验分为两类：宏观硬度和显微硬度。宏观硬度是指采用1kg9.81N)以 上负荷进行的硬度试验。诸如工具、模具等金属材料的硬度试验。显微硬度是指采用 1kg9.81N)或小于1kgf9.81N)负荷进行的硬度试验，诸如极薄（薄至0.125mm)的板材，特 小的零件，表面淬火、电镀或涂层材料的表面以及材料的各个组织的硬度。常用的硬度试验 有布氏硬度试验、洛氏硬度试验、表面洛氏硬度试验和显微硬度试验等，它们分别有各自不 同的适用范围。 本实验学习显微维氏硬度硬度测试的原理与方法。 一、目的意义 无机非金属材料硬度测试的目的，是为了检验材料抗磨蚀、耐刻划的能力。无机非金属 材料的硬度与材料的化学和物相组成以及显微结构等因素有关。非晶态材料的硬度随结构网 络外体离子半径的减小和原子价的增加而增加。晶体材料的硬度与键强弱有关。陶瓷材料的 硬度除与主品相有关外，还受品粒尺寸、品界相和气孔及其分布等因素的影响。换句话说， 硬度是材料微观结构的宏观表现。在材料研究中，硬度数据的使用频率非常高，硬度测试的 目的，并不一定是用来表征所研究材料的使用性能，而是通过硬度试验获得材料微观结构的 有关信总。通过本试验要达到以下目的： ①了解材料维氏硬度测试的方法 ②学习维氏硬度测试的原理与方法 二、基本原理 一般硬度测试的基本原理是：在一定时间间隔里，施加一定比例的负荷，把一定形状的 硬质压头压入所测材料表面，然后，测量压痕的深度或大小。 维氏硬度测试是用维氏金刚石压头来测量材料表面的硬度。维氏金刚石压头是将压头 磨成正四棱维体，其相对两面夹角为136°。维氏硬度值是所施加的负荷(kg除以压痕的表 面积(mm2。 采用维氏金刚石压头时，其压痕深度约为对角线长度的1/7，维氏硬度的计算公式如下： H,-2P:sm812-1854P-1854p (2-1) 12 12 9.81 式中 1一一压痕对角线长的平均值，mm: 日一一金刚石压头相对面的夹角(136°)。 3

3 实验二 维氏硬度的测定 硬度通常定义为材料抵御硬且尖锐的物体所施加的压力而产生永久压痕的能力。材料 的硬度是材料重要的机械性能之一。 材料的硬度与其他的物理性能之间存在着某种关系。例如，硬度和拉力试验基本上都是 测量金属抵抗塑性变形的能力。这两种试验在某种程度上都是测量同样的特性，其结果完全 可以相比较。硬度试验的优点在于：它是一种简单而又容易进行的试验，尤其突出的是它是 一种非破坏性测试。 习惯上把硬度试验分为两类：宏观硬度和显微硬度。宏观硬度是指采用 1kgf(9.81N)以 上负荷进行的硬度试验。诸如工具、模具等金属材料的硬度试验。显微硬度是指采用 1kgf(9.81N)或小于 1kgf(9.81N)负荷进行的硬度试验，诸如极薄(薄至 0.125mm)的板材，特别 小的零件，表面淬火、电镀或涂层材料的表面以及材料的各个组织的硬度。常用的硬度试验 有布氏硬度试验、洛氏硬度试验、表面洛氏硬度试验和显微硬度试验等，它们分别有各自不 同的适用范围。 本实验学习显微维氏硬度硬度测试的原理与方法。 一、目的意义 无机非金属材料硬度测试的目的，是为了检验材料抗磨蚀、耐刻划的能力。无机非金属 材料的硬度与材料的化学和物相组成以及显微结构等因素有关。非晶态材料的硬度随结构网 络外体离子半径的减小和原子价的增加而增加。晶体材料的硬度与键强弱有关。陶瓷材料的 硬度除与主晶相有关外，还受晶粒尺寸、晶界相和气孔及其分布等因素的影响。换句话说， 硬度是材料微观结构的宏观表现。在材料研究中，硬度数据的使用频率非常高，硬度测试的 目的，并不一定是用来表征所研究材料的使用性能，而是通过硬度试验获得材料微观结构的 有关信息。通过本试验要达到以下目的： ①了解材料维氏硬度测试的方法； ②学习维氏硬度测试的原理与方法。 二、基本原理 一般硬度测试的基本原理是：在一定时间间隔里，施加一定比例的负荷，把一定形状的 硬质压头压入所测材料表面，然后，测量压痕的深度或大小。 维氏硬度测试是用维氏金刚石压头来测量材料表面的硬度。维氏金刚石压头是将压头 磨成正四棱锥体，其相对两面夹角为 136°。维氏硬度值是所施加的负荷(kgf)除以压痕的表 面积(mm2 )。 采用维氏金刚石压头时，其压痕深度约为对角线长度的 1/7。维氏硬度的计算公式如下： 2 2 2 9.81 2 sin / 2 1.854 1.854 l p l P l P HV = =  =  （2-1） 式中 l ——压痕对角线长的平均值，mm；  ——金刚石压头相对面的夹角(136°)